mozok.click » Podręczniki w języku polskim » Fizyka » Energetyka atomowa Ukrainy. Problemy ekologiczne energetyki atomowej
Інформація про новину
  • Переглядів: 766
  • Автор: admin
  • Дата: 29-03-2018, 03:16
29-03-2018, 03:16

Energetyka atomowa Ukrainy. Problemy ekologiczne energetyki atomowej

Категорія: Podręczniki w języku polskim » Fizyka

Wielka zaleta paliwa jądrowego w porównaniu z tradycyjnym (gaz, nafta, węgiel) polega na tym, że energetyczna wydajność paliwa jądrowego jest miliony razy wyższa (2 min razy wyższa od nafty, 3 min razy od węgla). Oprócz tego zapasy paliwa jądrowego są dziesięciokrotnie większe od węglowodorowych rodzajów paliwa, a jego spalanie nie wymaga tlenu. Jednak wykorzystanie paliwa jądrowego jest powiązane z pewnymi trudnościami.

Dowiadujemy się o cyklu jądrowym Dla otrzymania kilograma paliwa o niskiej wydajności energetycznej, na przykład kilograma drewna, wystarczy pójść do lasu. Lecz aby otrzymać kilogram paliwa jądrowego, należy stworzyć cały przemysł. Oprócz tego, po spalaniu kilograma drewna popiół można po prostu rozrzucić, a co robić z prętami paliwowymi (rys. 27.1), które wyczerpały się? Przecież w prętach uranowych zachodzi łańcuchowa reakcja jądrowa i dlatego zawierają one dużą ilość radioaktywnych odłamków o długim pół-okresie rozpadu.

Kolejność czynności wydobywania paliwa jądrowego z rudy, produkowania prętów paliwowych, wykorzystywanie prętów paliwowych na elektrowniach atomowych i następnie przeróbka radioaktywnych odpadów nazywana jest cyklem jądrowym (rys. 27.2).

Pod względem ilości zapasów rud uranowych Ukraina posiada 11 miejsce w świecie. Tych zapasów wystarczy na kilka stuleci. Jednak aby przerobić rudę na paliwo jądrowe, sporządzić pręty uranowe, niezbędny jest szczególny przemysł (łańcuch powiązanych ze sobą przedsiębiorstw), którego Ukraina w pełni nie posiada. Dla ukraińskich elektrowni atomowych pręty uranowe są produkowane za granicą.



 

Po rozpadzie pewnej ilości paliwa jądrowego w pręcie uranowym (fizycy mówią: „pręt wypalił się”), jest on wymieniany na nowy. Wykorzystane pręty są bardzo radioaktywne, dlatego są one składowane głęboko pod ziemią w specjalnych pojemnikach, gdzie one mogą być przechowywane przez setki lat.

Obecnie na Ukrainie tylko Zaporoska elektrownia atomowa (rys. 27.3) posiada własną przechowalnię wykorzystanych prętów. Pręty z innych elektrowni atomowych są wywożone do Rosji, za co nasze państwo ponosi wielkie koszty. Jest planowane zbudowanie przechowalni dla wykorzystanych prętów paliwowych w 30-kilometrowej strefie wokół elektrowni w Czarnobylu, przecież ten teren jeszcze długo nie będzie się nadawał do życia ludzi. Oprócz tego, miejsca dla przechowalni można będzie udzielać również innym państwom.

Podaj swoje „za” i „przeciw” budownictwa takiej przechowalni.

Dowiadujemy się o atomowej energetyce Ukrainy

Ukraina należy do tych krajów świata, w których dzięki obecności wysokich technologii i wykształconych inżynierów i uczonych stworzona jest i sukcesywnie rozwija się energetyka atomowa. Obecnie w kraju pracują cztery elektrownie atomowe: Zaporoska, Równieńska, Połu-dniowo-Ukraińska, Chmielnicka (rys. 27.3-27.6). W tych elektrowniach pracuje 15 atomowych bloków energetycznych, ogólna moc których wynosi 13 580 MW. Na dane elektrownie przypada około połowy energii elektrycznej produkowanej w kraju.

Elektrownie są obsługiwane przez wielotysięczne załogi wykształconych fachowców. Faktycznie wokół każdej elektrowni atomowej powstało niewielkie miasto.

Obecność na Ukrainie źródeł energii elektrycznej, pracujących na paliwie jądrowym znacznie zmniejsza deficyt „zwykłych” źródeł energii: gazu, ropy naftowej, węgla kamiennego.

Każdy mieszkaniec kojarzy elektrownie atomowe z pojęciem „radiacja”. Jednak, jak pokazują badania, największy wpływ radiacji na człowieka odbywa się na skutek działania naturalnych źródeł radiacji, podczas badań medycznych i leczenia. Radiacja powiązana z „prawidłowym” rozwojem energetyki jądrowej, stanowi tylko małą część radiacji, spowodowanej działalnością człowieka.

Z przykrością można powiedzieć, że historia ludzkości nalicza jednak kilka przypadków anomalnego toku wydarzeń w reaktorach jądrowych. Skutki tych przypadków są tragiczne.

Przypominamy historię tragedii w Czarnobylu

26 kwietnia 1986 roku zapisało się czarnymi barwami w historii Ukrainy. W tym dniu wydarzyła się awaria w 4-m bloku energetycznym elektrowni atomowej w Czarnobylu (rys. 27.7). Kierownictwo elektrowni zgodziło się na wypróbowanie reaktora jądrowego w trybie zmiany mocy, co nie było przewidziane konstrukcją reaktora. W wyniku tego zaszło niekontrolowane uwalnianie się energii jądrowej wewnątrz reaktora, co doprowadziło do wybuchu.

Wybuch spowodował pożar i katastroficzny wyrzut radioaktywnych substancji w 4-m bloku energetycznym. Pożar trwał 10 dni, zniszczył część paliwa jądrowego oraz produktów jego rozpadu i uniósł je wraz z gazami spalinowymi na olbrzymią wysokość, skąd stopniowo opadały na Ziemię, powodując skażenie.

W wyniku czego całe regiony Rosji, Ukrainy, Białorusi stały się radiacyjnie zanieczyszczone, a z 30-kilometrowej strefy wokół elektrowni wysiedlono wszystkich mieszkańców.

Później nad zniszczonym reaktorem wybudowano tzw. sarkofag — osłonę betonową, która chroni przed dalszym rozpowszechnianiem się zanieczyszczenia radiacyjnego (rys. 27.8).

Obecnie żaden z bloków energetycznych elektrowni atomowej w Czarnobylu nie działa; wspólnie z międzynarodowymi organizacjami Ukraina zbudowała jeszcze jeden, bardziej doskonały, sarkofag. Minęło już 30 lat od czasu tragedii, jednak skutki radiacyjnego skażenia w strefie elektrowni atomowej są odczuwalne do dzisiaj.

Rys. 27.8.

Sarkofag nad 4-m blokiem energetycznym elektrowni atomowej w Czarnobylu

Podobna awaria miała miejsce w Japonii 2011 roku - w elektrowni atomowej „Fokushima 1”. Na skutek trzęsienia ziemi i tsunami przestały pracować pompy regulujące pręty paliwowe, co spowodowało ich przegrzanie się i doprowadziło do uszkodzenia reaktora atomowego. Substancja radiacyjna zanieczyściła środowisko naturalne.

Obecnie ludzkość znajduje się przed dylematem: stopniowe wyczerpanie się tradycyjnych źródeł energii zachęca do rozwoju energetyki atomowej, razem z tym nikt nie jest zabezpieczony przed awariami, nawet takie rozwinięte państwa jak Japonia. W Niemczech rząd zabronił rozwijać energetykę atomową.

Jakie jest twoje zdanie na ten temat? Pomyśl nad „za” i „przeciw”.

Podsumowanie

Kolejność czynności wydobywania paliwa jądrowego z rudy, sporządzanie prętów paliwowych, wykorzystanie ich elektrowniach atomowych i następna przeróbka odpadów radioaktywnych nazywa się cyklem jądrowym.

Obecnie na Ukrainie pracują 4 elektrownie atomowe o ogólnej mocy 13 580 MW. Na elektrownie atomowe przypada prawie połowa energii elektrycznej produkowanej w kraju. Jeżeli elektrownia pracuje „prawidłowo” (wykorzystane pręty paliwowe zachowywane są w przechowalniach, nie ma zrywów w pracy reaktora, wykonano wszystkie czynności przewidywane w instrukcjach), to prawie nie wywiera ona radiacyjnego wpływu na środowisko naturalne.

26 kwietnia 1986 r. stała się awaria na elektrowni atomowej w Czarnobylu -wybuch w 4-m bloku. Spowodował on największe w świecie radiacyjne skażenie dużych terenów m.n. Rosji, Ukrainy i Białorusi. Skutki tego skażenia odczuwamy do dzisiaj. Podobna awaria miała miejsce na elektrowni atomowej „Fokushima 1” w Japonii w 2011 roku.

Pytania kontrolne

1. Podaj zalety i wady wykorzystania paliwa jądrowego. 2. Jaka jest kolejność czynności cyklu jądrowego? 3. Wymień nazwy elektrowni atomowych na Ukrainie. Podaj ich ogólną moc. 4. Co wiesz o tragedii w Czarnobylu?

Ćwiczenie nr 27

1. W elektrowni Chmielnickiej pracują reaktory o mocy elektrycznej 440 MW i mocy cieplnej 1375 MW. Oblicz sprawność tych reaktorów.

2. W dwóch blokach Równieńskiej elektrowni atomowej pracują reaktory o mocy elektrycznej 440 MW, w kolejnych dwóch blokach — reaktory o mocy elektrycznej 1000 MW. Ile energii (w kWh) może wyrabiać elektrownia w ciągu doby, pracując na pełnej mocy?

3. Ile energii w ciągu doby produkuje Zaporoska elektrownia atomowa, jeżeli jeden z jej bloków znajduje się w remoncie, a reszta pracuje na pełnej mocy? Cieplna moc każdego reaktora w elektrowni wynosi 3000 MW, sprawność — 33,3 %.

4. Ile kilogramów Uranium-235 spalają w ciągu doby reaktory Południowo-Ukra-ińskiej elektrowni, jeżeli cieplna moc każdego reaktora wynosi 3000 MW? Podczas rozpadu jednego jądra Uranium-235 wydziela się 3,2-10'11 J energii, która całkowicie jest przekazywana moderatorowi (wodzie).

5. Za pomocą dodatkowych źródeł informacji dowiedz się o rozwoju energetyki atomowej na Ukrainie.


 

PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU IV

„Fizyka atomu i jądra atomowego. Fizyczne podstawy

energetyki atomowej"

1. Badając rozdział IV przypomniałeś sobie o budowie atomu i jądra atomowego, dowiedziałeś się o siłach jądrowych.

2. Dowiedziałeś się w jaki sposób odkryto zjawisko radioaktywności, wyjaśniłeś naturę promieniowania radioaktywnego.

RADIOAKTYWNOŚĆ

to zdolność jąder radionuklidów samorzutnie przekształcać się na jądra innych pierwiastków z jednoczesną emisją mikrocząstek

3. Zapoznałeś się z wielkościami fizycznymi charakteryzującymi promieniowanie radioaktywne, radionuklidy i próbki radioaktywne.

4. Wyjaśniłeś, że na skutek pochłaniania neutronu przez ciężkie jądro odbywa się samorzutny rozpad jądra z emitowaniem energii i dowiedziałeś się, że reakcji syntezy lekkich jąder również towarzyszy wydzielanie się energii.

ZADANIA DO ROZDZIAŁU IV

„Fizyka atomu i jądra atomowego. Fizyczne podstawy energetyki atomowej"

Zadania 1-8, 10 zawierają jedną prawidłową odpowiedź.

1. (1 punkt) W jądrze atomu Beryllium znajdują się 4 protony i 5 neutronów. Ile elektronów zawiera atom Beryllium?

a) 1 elektron; c) 5 elektronów;

b) 4 elektrony; d) 9 elektronów.

2. (1 punkt) W jądrze pierwiastka chemicznego znajdują się 33 protony i 43 neutrony. Określ ten pierwiastek?

a) Technetium b) Arsenicum c) Uranium d) Aurum.

3. (1 punkt) Na podstawie doświadczeń z α-cząstkami E.Rutherford:

a) zaproponował neutronowo-protonowy model jądra atomowego;

b) wyjaśnił zjawisko radioaktywności;

c) wyjaśnił mechanizm łańcuchowej reakcji jądrowej;

d) podał jądrowy model budowy atomu.

4. (1 punkt) Podczas α-rozpadu dowolnego pierwiastka powstaje jądro atomu pierwiastka, który w Układzie Okresowym pierwiastków chemicznych D. Mendelejewa znajduje się:

a) o dwie kratki w lewo; c) o jedną kratkę w prawo;

b) o dwie kratki w prawo; d) o jedną kratkę w lewo.

5. (2 punkty) Ładunek jądra atomu pierwiastka chemicznego wynosi 3,2 - HU19 C. Jaki to jest pierwiastek?

a) Kalium b) Helium c) Lithium d) Germanium.

6. (2 punkty) Wiązka promieniowania radioaktywnego przechodząc między płytami naładowanymi rozdziela się (patrz rys.). Określ znak ładunku każdej płyty?

a) Płyta 1 Płyta 2

b) Płyta 1 Płyta 2

c) Płyta 1 Płyta 2 „+”;

d) Płyta 1 Płyta 2

7. (2 punkty) Oblicz aktywność próbki radioaktywnej, jeżeli w ciągu godziny rozpada się w niej 7,2 ΊΟ10 jąder. Aktywność próbki jest stała, a) 7,2 1010 Bq; b) 1,2 109 Bq; c) 3,6 108 Bq; d) 2 107 Bq.

8. (2 punkty) Termojądrowa reakcja syntezy zachodzi pod warunkiem:

a) Pochłaniania przez jądro neutronu; c) Niskiego ciśnienia;

b) Wysokiej temperatury; d) Obecności ciężkich jąder.

(3 punkty) Dopasuj definicje pomiędzy ilością cząstek nuklidu a nuklidem.

1 70 elektronów

2 57 protonów

3 57 neutronów

4 70 nukleonów

(3 punkty) Która z podanych niżej reakcji jądrowych jest reakcją β-rozpadu?

11. (3 punkty) Radon

ulega dwóm a- i dwóm β-rozpadom. Jądro jakiego pierwiastka powstaje przy tvm?

12. (3 punkty) Próbka zawiera 1,6 1010 jąder izotopu Bismuthum

pół-

okres rozpadu którego wynosi 20 min. Ile jąder Bismuthumu pozostaje w próbce po upływie 1 godziny?

13. (3 punkty) Na dany moment czasu w próbce radioaktywnej znajduje się 2 10~10 mol Radu. Ile jąder Radium rozpada się w ciągu następnej sekundy? Stała radioaktywnego rozpadu Radium λ=1,37 ΊΟ-11 c-1.

14. (4punkty) Średnia dawka promieniowania pochłonięta przez pracownika, pracującego przy urządzeniu rentgenowskim wynosi 7pGy w ciągu jednej godziny. Czy może on bezpiecznie pracować przez 200 dni w ciągu roku po 6 godzin dziennie, jeżeli minimalna dopuszczalna dawka napromieniowania wynosi 50 mGy na rok? Wiadomo, że naturalne tło radioaktywne wynosi 2 mGy na rok.

15. (4 punkty) Na skutek trzech a- i dwóch β-rozpadów pewnego jądra macierzystego powstaje jądro Polonium

Wyznacz jądro macierzyste.

16. (4 punkty) Oblicz, jaką masę Uranium-235 zużywa w ciągu doby elektrownia atomowa o mocy 2 GW, jeżeli jej sprawność wynosi 25%, a podczas każdego rozpadu jądra

wydziela się 3,2 -10 11 J energii.


 

Sprawdź swoje odpowiedzi na pytania z podanymi na końcu podręcznika. Zaznacz zadania, na które odpowiedziałeś prawidłowo i określ sumę punktów, następnie podziel tę sumę przez trzy. Otrzymany wynik będzie odpowiadał poziomowi twojej wiedzy.

Dodatkowe zadania testowe, sprawdzane przez komputer odnajdziesz na stronie internetowej „Nauczanie interaktywne".

Od doświadczeń Rutherforda do leczenia chorób

Większość mieszkańców naszego państwa, pamiętając o awarii w elektrowni atomowej w Czarnobylu, bardzo ostrożnie odnosi się do słowa „radiacja”. Badając rozdział IV dowiedziałeś się, że promieniowanie radioaktywne jest niebezpieczne. Jednak, jeżeli przestrzegać reguł bezpieczeństwa, kontrolować poziom tła radioaktywnego, momentalnie reagować na to niebezpieczeństwo, to można je zmniejszyć.

Czy może radiacja być pożyteczną dla organizmu żywego? Okazuje się, że w przypadku niektórych chorób w celu ratowania życia pacjenta medycy faktycznie wyrządzają mu krzywdę. Na przykład, obecnie powszechnie stosowana jest metoda napromieniowania pacjenta γ-promieniowaniem o wysokiej prze-nikalności (rys. 1, 2). Jednak podczas napromieniowania chorego wewnętrznego narządu pacjenta, naświetlają się także i inne zdrowe części ciała.

Naturalnym było pragnienie fizyków rozwiązać dany problem. Pierwsze takie rozwiązanie to stosowanie innego typu promieniowania. Okazało się, że przyspieszone do dużych prędkości protony mają przewagę przed γ- i a-promieniowaniem. Wiadomo, że protony maksymalnie działają w miejscach, w pobliżu których zatrzymują się, w innych punktach swego toru poziom porażenia jest niższy (rys. 3). Zmieniając energię protonu, można zmieniać miejsca ich zatrzymania się tak, aby wypadały one na chore komórki. Wtedy, jak widać z rys. 3, poziom uszkodzenia zdrowych tkanek będzie niższy, niżeli chorych. Przy tym dawka napromieniowania odcinka przed „pagórkiem” jest dziesięciokrotnie niższa, a za „pagórkiem” w ogóle równa się

zeru. Niestety, niezwykle kosztowne urządzenie — przyspieszacz protonów, nie pozwala na powszechne stosowanie danej metody.

Jeszcze jedna metoda napromieniowania chorych tkanek — bor-neutron-zagarniająca terapia (BNZT) — zaproponowana stosunkowo niedawno. Wielka^ zaletą BNZT jest jej dokładność. Porównując z terminologią „wojskową”, napromieniowanie γ-promieniowaniem jest podobne do bombardowania dużych terenów, a napromieniowanie protonami — z obstrzałem przeciwnika rakietami, gdy dokładność trafiania zwiększa się. Zresztą BNZT warto porównać z „agentem 007”, który bezbłędnie likwidował wyłącznie przeciwnika.

Idea BNZT jest następująca. Głównym w terapii jest jądro Bo-rum. Ono, jak genialny bramkarz, umie „łapać” neutrony o wiele lepiej, niż inne jądra. Dlatego przy napromieniowaniu tkanek neutronami jądro Borum potrafi „złapać” neutron nawet wtedy, gdy będzie ich przelatywało bardzo niewiele. Jądra innych pierwiastków prawie nie odczuwają napromieniowania, czyli szkodliwą dawkę napromieniowania neutronami uda się zmniejszyć do minimum.

Po tym, jak jądro Borum „zagarnie” neutron, dozna ono radioaktywnej przemiany i rozpadnie się na jądro Lithium i α-cząstkę (rys. 4), które mają energię kinetyczną, wystarczającą do niszczenia tylko jednej komórki. Więc, gdy skierujemy jądro Borum bezpośrednio na chorą komórkę, to po „wybuchu” tylko ona zostanie zniszczona (rys. 5). Jądra Borum są dostarczane przez specjalne środki farmaceutyczne.

Proponowane tematy projektów

1. Zapoznanie się z pracą dozymetru.

2. Układanie radiacyjnej mapy regionu.

3. Radiologiczna analiza miejscowych produktów spożywczych.

4. Ekologiczne problemy energetyki jądrowej.

5. Rozszczepienie atomu: skrzynia Pandory czy ogień Prometeusza?

6. Przyszłość Słońca i innych gwiazd.

Tematy referatów

1. Wielki zderzacz hadronów - droga do badania budowy Wszechświata.

2. Historia atomu: od Demokryta do Rutherforda.

3. Cegiełki materii lub czym są kwarki.

4. Sukces naukowy Piotra i Marii Curie (historia odkrycia Radu).

5. W jaki sposób Rutherford wyjaśnił naturę a-cząstek.

6. Historia stworzenia reaktora jądrowego.

7. Pierwsze elektrownie atomowe.

8. Sposoby zabezpieczenia reaktorów atomowych.

9. Czarnobyl i Fukushima — dwie wielkie awarie jądrowe: co mają wspólnego i czym się różnią.

10. Reaktor termojądrowy - reaktor przyszłości.

11. Historia bomby atomowej.

12. Historia pozyskania sztucznych radioaktywnych izotopów.

13. Zastosowanie sztucznych radioaktywnych izotopów.

14. Jądrowo-fizyczne metody określania wieku archeologicznych wykopalisk.

15. Czym są wanny z radonem.

16. Naturalna radioaktywność - bezpieczna czy niebezpieczna.

17. Chronologia ery atomowej.

18. Atomowe elektrownie na Ukrainie.

19. Atomowa energetyka świata.

 

Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar

 






^